DE60220343T2 - Welding device with a miniaturized laser beam - Google Patents
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Description
Diese
Erfindung betrifft eine Hochleistungs-Laserstrahl-Schweißvorrichtung,
mit einer Leistung von beispielsweise 500 Watt bis mehreren Kilowatt,
die gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 miniaturisiert ist, und die geeignet ist, sehr nahe
an zu schweißende
Oberflächen
von Werkstücken
herangeführt
zu werden und zu schweißende
Oberflächen
zu erreichen, die auf Grund von über
ihnen befindlichen Hindernissen schwer zu erreichen sind. In der
Schrift
Es ist bekannt, Metalle mittels eines Hochleistungs-Laserstrahls zu schweißen. Dazu verwendet man eine Schweißvorrichtung, die einen gewöhnlich länglich geformten abgeschlossenen Raum aufweist, in dessen Inneren der Laserstrahl umlaufen kann und an einem Ende des abgeschlossenen Raums austreten kann, um auf das zu schweißende Werkstück zu treffen. Der abgeschlossene Raum ist lichtdicht, um den Bediener vor jeglicher ungewollten Ausbreitung des Laserstrahls außerhalb des abgeschlossenen Raums zu schützen. Unter dem Begriff „lichtdicht" versteht man, dass der abgeschlossene Raum jegliches ungewollte Austreten des Laserstrahls, beispielsweise auf Grund des Verstellens einer Optik-Komponente, verhindert.It is known to metals by means of a high-power laser beam welding. For this one uses a welding device, usually one elongated has formed closed space inside which the laser beam can circulate and exit at one end of the enclosed space can to hit the workpiece to be welded. The enclosed space is light-tight to protect the operator from any unwanted propagation of the laser beam outside the completed Space to protect. The term "light-tight" means that the closed space any unwanted leakage of the laser beam, for example, due to the adjustment of an optical component, prevented.
Der Laserstrahl verfolgt im Inneren des abgeschlossenen Raums einen Weg, auf dem sich nacheinander befinden: eine Hochleistungs-Laserlichtquelle, ein konvergentes Optiksystem und eine sogenannte „Frontseitenöffnung", durch die der Laserstrahl aus dem abgeschlossenen Raum in Richtung des zu schweißenden Werkstücks wieder austreten kann. Das konvergente Optiksystem bündelt den Laserstrahl auf einen Brennpunkt, der sich außerhalb des abgeschlossenen Raums befindet, wobei selbstverständlich das Werkstück in diesen Brennpunkt gebracht wird, um geschweißt zu werden. Die Laserlichtquelle kann ein Laserlichtgenerator oder das Ende einer Lichtleitfaser, die den Laserstrahl von einem entfernten Laserlichtgenerator in den abgeschlossenen Raum führt, sein. Bei komplizierteren Ausführungsformen kann der abgeschlossene Raum gelenkig ausgeführt sein und/oder einen oder mehrere Optikspiegel enthalten, die in der Bahn des Laserstrahls angeordnet sind und die geeigneten Umlenkungen des Laserstrahls gewährleisten.Of the Laser beam tracks one inside the enclosed space Path on which are in succession: a high-power laser light source, a convergent optical system and a so-called "front opening" through which the laser beam from the enclosed space in the direction of the workpiece to be welded again can escape. The convergent optical system focuses the laser beam onto one Focus that is outside of the enclosed space is, of course, the workpiece is brought to this focal point to be welded. The laser light source may be a laser light generator or the end of an optical fiber, the laser beam from a remote laser light generator in the closed space leads, be. In more complicated embodiments the enclosed space can be articulated and / or one or Several optical mirrors included in the path of the laser beam are arranged and the appropriate deflections of the laser beam guarantee.
Zur Vereinfachung der Ausdrucksweise sagt man im Folgenden, dass sich ein Gegenstand vor der Frontseitenöffnung befindet, wenn er sich außerhalb der Vorrichtung und gegenüber der Frontseitenöffnung befindet. Umgekehrt sagt man im Folgenden, dass sich ein Gegenstand hinter der Frontseitenöffnung befindet, wenn er sich auf der anderen Seite der Frontseitenöffnung befindet.to Simplification of the idiom is said below An object is located in front of the front opening when it opens except for Device and opposite the front opening located. Conversely, one says below that an object behind the front opening when it is on the other side of the front opening.
Die Optik-Komponenten müssen während des Schweißens vor den Dämpfen und Spritzern des schmelzenden Metalls geschützt werden. Normalerweise gewährleistet der abgeschlossene Raum diese Schutzfunktion, jedoch können Dämpfe und Spritzer des schmelzenden Metalls durch die Frontseitenöffnung gelangen, in den abgeschlossenen Raum eindringen und die Optik-Komponenten beflecken, insbesondere diejenigen, die sich nahe an der Frontseitenöffnung befinden. Es werden unterschiedliche Mittel verwendet, um dies zu verhindern:
- – Verkleinerung des Durchmessers der Frontseitenöffnung auf das absolute Minimum, um die Laserstrahlen noch durchzulassen,
- – Einspritzen
eines neutralen Gases unter ausreichendem Druck in den abgeschlossenen
Raum, woraufhin das Gas durch die Frontseitenöffnung entweicht und so ein
Hindernis für
die Dämpfe und
Spritzer des schmelzenden Metalls bildet; das Gas kann auch, wie
in der Schrift
beschrieben, in die Frontseitenöffnung und zu dem Zwischenraum zwischen dem Spiegel und dem Schweißbereich hin gespritzt werden,EP 300458 A - – Entfernen der Optik-Komponenten von der Frontseitenöffnung oder Entfernen der Frontseitenöffnung von dem zu schweißenden Werkstück.
- Reduction of the diameter of the front opening to the absolute minimum in order to let the laser beams through,
- Injecting a neutral gas under sufficient pressure into the enclosed space, whereupon the gas escapes through the front-side opening and thus forms an obstacle to the vapors and splashes of the melting metal; the gas can also, as in the Scriptures
sprayed into the front opening and to the gap between the mirror and the welding area,EP 300458 A - Removing the optical components from the front opening or removing the front opening from the workpiece to be welded.
In
der Patentschrift
- – sich dieser Spiegel sehr nahe an dem schmelzenden Metall im Schweißbereich befindet,
- – der Druck des schützenden Gases aus wirtschaftlichen Gründen, und um das schmelzende Metall nicht zu verstreuen, notwendigerweise begrenzt bleibt; in der Figur ist zu sehen, dass die Öffnung deutlich größer ist als der Laserstrahl, der durch sie gelangt; dies ermöglicht es, den Schweißbereich mit neutralem Gas zu umgeben, ohne einen Gasstrom zu erzeugen, der das im Schmelzen befindliche Metall zerstreut; dafür hat das schützende Gas nur eine geringe Geschwindigkeit, wenn es die Frontseitenöffnung durchquert; es kann daher nur ein schwaches Hindernis gegen die Dämpfe und Spritzer von schmelzendem Metall bilden, und der Spiegel wird daher schnell beeinträchtigt.
- This mirror is very close to the melting metal in the weld area,
- - the pressure of the protective gas for economic reasons, and not to disperse the melting metal, necessarily remains limited; in the figure it can be seen that the opening is significantly larger than the laser beam that passes through it; this makes it possible to surround the welding area with neutral gas without generating a gas stream which dissipates the metal to be melted; but the protective gas has only a low Geschwin when passing through the front opening; therefore, it can only form a weak obstacle against the fumes and splashes of melting metal, and therefore the mirror is quickly deteriorated.
Dieser Spiegel muss daher oft ausgetauscht werden. Damit ist eine solche Schweißvorrichtung zwar für Reparaturen dünner Werkstücke geeignet, für die nur eine geringe Leistung erforderlich ist, nicht aber für eine gewerbliche Verwendung in der Werkstatt an dicken Werkstücken mit hoher Laserleistung.This Therefore, mirrors often have to be replaced. This is one Welding device though for repairs thinner workpieces suitable for only a small amount of power is required, but not for a commercial one Use in the workshop on thick workpieces with high laser power.
Ein erstes zu lösendes Problem besteht darin, einen Schweißkopf vorzuschlagen, dessen Frontseitenöffnung sehr nahe an die zu schweißende Oberfläche herangeführt werden kann, ohne dass die Optik-Komponenten durch die Dampfe und Spritzer von schmelzendem Metall befleckt werden und ohne dass dieses schmelzende Metall verwirbelt wird, beispielsweise durch einen aus der Frontseitenöffnung austretenden Gasstrom.One first to be solved Problem is to propose a welding head, whose Front opening be brought very close to the surface to be welded can, without the optics components by the steam and splashes of Melting metal can be stained and without this melting Metal is swirled, for example, by an emerging from the front opening Gas flow.
Ein zweites zu lösendes Problem besteht darin, einen Schweißkopf vorzuschlagen, der zwischen die zu schweißenden Oberflächen und die sich über diesen befindlichen, nahegelegenen Hindernisse eingeschoben werden kann.One second to be solved Problem is to propose a welding head, which between the to be welded surfaces and that about this located, nearby obstacles can be inserted.
Zur Lösung des ersten Problems wird mit dieser Erfindung eine miniaturisierte Laserstrahl-Schweißvorrichtung gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen.to solution of the first problem is miniaturized with this invention Laser beam welding apparatus according to claim 1 proposed.
Unter dem Begriff „quer" versteht man, dass der Nebenstrom parallel zur Fläche der Frontseitenöffnung geführt wird. Bei einer solchen Anordnung
- a) drückt der Primärstrom die Dämpfe und Spritzer von schmelzendem Metall, die auf die Frontseitenöffnung gerichtet sind, zurück, wodurch verhindert wird, dass diese Dampfe und Spritzer ins Innere des Schweißkopfs eindringen;
- b) trifft der Nebenstrom auf den Primärstrom, und zwar im rechten Winkel zu diesem und in dem Augenblick, in dem er durch die Frontseitenöffnung austritt, was zur Wirkung hat, dass der Primärstrom abgelenkt wird und so daran gehindert wird, auf das flüssige Metall zu treffen, das sich ein Stückchen weiter im Bereich des Brennpunkts bildet;
- a) the primary flow returns the fumes and splashes of molten metal directed at the front opening, preventing these fumes and spatter from entering the interior of the weld head;
- b) the secondary flow impinges on the primary flow, at right angles to it and at the moment it exits through the front-side opening, which has the effect of deflecting the primary flow and thus preventing it from reaching the liquid metal meet, which forms a little further in the area of the focal point;
So können die Dämpfe und Spritzer von schmelzendem Metall nicht durch die Frontseitenöffnung in den Schweißkopf eindringen und das schmelzende Schweiß-Metall wird durch den Primärgasstrom nicht verwirbelt, verformt oder gar zerstreut, so dass es möglich wird, den Schweißkopf sehr nahe an die zu schweißende Oberfläche zu bringen, und auf diese Weise das erste Problem gelöst ist.So can the vapors and splashes of melting metal not through the front opening in the welding head penetrate and the melting metal sweat is through the primary gas flow not swirled, deformed or even scattered so that it becomes possible the welding head very much close to the welding surface to bring, and in this way the first problem is solved.
Der Bediener stellt den Primärstrom mit einer ausreichenden Kraft ein, um die Dämpfe und Spritzer von schmelzendem Metall, die sich der Frontseitenöffnung nähern, fortzudrücken. Desgleichen stellt der Bediener den Nebenstrom mit einer ausreichenden Kraft ein, um den Primärstrom abzulenken, damit er das flüssige Metall, das sich im Bereich des Brennpunkts vor der Frontseitenöffnung bildet, nicht erreicht, zumindest nicht direkt.Of the Operator provides the primary current with a sufficient force to melt the fumes and splashes Metal facing the front opening approach, continued to press. Likewise, the operator provides the bypass with sufficient force one to the primary stream to distract him so that he is the liquid Metal that forms near the focal point in front of the front opening, not reached, at least not directly.
Vorteilhafterweise weist der Schweißkopf ferner einen Schutzschild auf, der vor der Frontseitenöffnung angeordnet ist, wobei dieser Schutzschild aus starrem, hochtemperaturfesten Werkstoff besteht, beispielsweise aus Nobelium, wobei dieser Schutzschild von einem Loch durchsetzt ist, das sich auf der Geometrieachse der Frontseitenöffnung befindet. Dieser Schutzschild ermöglicht es, den Primärstrom und den Nebenstrom quer zur Frontseitenöffnung zu führen, was den Schutz des schmelzenden Metalls vor dem Primärstrom verbessert.advantageously, the welding head is further away a shield disposed in front of the front opening, wherein This shield made of rigid, high temperature resistant material consists of, for example, Nobelium, this shield is interspersed by a hole on the geometry axis of the Front opening located. This shield allows the primary current and to guide the sidestream transversely to the front opening, ensuring the protection of the melting Metal in front of the primary stream improved.
Der Schutzschild bildet auch ein mechanisches Hindernis für die Dampfe und Spritzer von schmelzendem Metall, die sich auf den Schweißkopf zu und um die Frontseitenöffnung herum bewegen, wodurch die Verkrustung des Schweißkopfs reduziert wird. Insbesondere bildet der Schutzschild ein Hindernis für die Dämpfe und Spritzer von schmelzendem Metall, die sich zwischen der Frontseitenöffnung und der Düse bewegen, wobei diese Spritzer ohne den Schutzschild durch den Nebenstrom vor die Frontseitenöffnung befördert werden könnten. So wird trotz des Lochs zwischen dem schmelzenden Metall und der Frontseitenöffnung durch diese Hinderniswirkung die Unversehrtheit des Inneren des Schweißkopfs vor den Dämpfen und Spritzern von schmelzendem Metall weiter verbessert.Of the Shield also forms a mechanical barrier to the vapor and splashes of melting metal, which affect the welding head and around the front opening move around, which reduces the encrustation of the welding head. In particular, the shield forms an obstacle to the vapors and Splashes of melting metal extending between the front opening and the nozzle move, taking these splashes without the shield by the side stream in front of the front opening promoted could become. Thus, despite the hole between the melting metal and the Front opening by this obstacle effect before the integrity of the interior of the welding head the vapors and splashes of melting metal further improved.
Vorteilhafterweise ist der Schutzschild abnehmbar, um gereinigt oder ausgetauscht zu werden, wenn er verkrustet ist.advantageously, the shield is removable to be cleaned or replaced become when it is encrusted.
Ebenfalls vorteilhafterweise weist der Schweißkopf einen Mantel auf, der die Frontseitenöffnung, die Düse und den Schutzschild umgibt, wobei der Mantel vor dem Schutzschild offen und ist und sich erweitert, wobei der Mantel aus einem dünnen, biegsamen und gasdichten Werkstoff besteht, wobei ein Zwischenraum zwischen mindestens einem Rand des Schutzschilds und dem Mantel vorgesehen ist. Auf diese Weise wirkt der Mantel mit diesem Zwischenraum zusammen, um das Gas des Primärstroms und des Nebenstroms oberhalb des gerade im Schweißprozess befindlichen Bereichs zurückzuführen, wodurch der Schweißbereich mit geringerem Gasverbrauch vor der Umgebungsluft geschützt werden kann. Indem der Mantel eine geeignete Länge aufweist, um in Kontakt mit der zu schweißenden Oberfläche des Werkstücks zu kommen, ermöglicht es dieser Mantel auch, das Gas des Primärstroms und des Nebenstroms oberhalb des Schweißbereichs zurückzuhalten und damit zugleich den Gasverbrauch und die Oxidation des Werkstücks während des Schweißens zu reduzieren.Also advantageously, the welding head has a shell surrounding the front opening, the nozzle and the shield, the shell being open and expanding in front of the shield, the shell being made of a thin, pliable and gas tight material, with a gap between is provided at least one edge of the shield and the jacket. In this way, the jacket cooperates with this gap to return the gas of the primary flow and the secondary flow above the area currently in the welding process, whereby the welding area with lower gas consumption can be protected from the ambient air. By having the sheath of an appropriate length to come into contact with the workpiece surface to be welded This sheath also retains the gas of the primary and secondary streams above the weld area, thereby reducing gas consumption and oxidation of the workpiece during welding.
Ebenfalls vorteilhafterweise weist der Schweißkopf ferner einen Spiegel auf, der direkt hinter der Frontseitenöffnung angeordnet ist und den Laserstrahl zu dieser Frontseitenöffnung hin umlenkt. Durch diese Anordnung kann der Platzbedarf des Schweißkopfs hinter der Frontseitenöffnung verringert werden, wodurch es möglich wird, den Schweißkopf zwischen die zu schweißenden Oberflächen und ein nahegelegenes Hindernis zu schieben, wobei mit dieser Anordnung das zweite Problem gelöst werden kann.Also Advantageously, the welding head further comprises a mirror on, which is located directly behind the front opening and the Laser beam deflects towards this front opening. Through this Arrangement, the space requirement of the welding head behind the front opening can be reduced which makes it possible will, the welding head between the ones to be welded surfaces and to push a nearby obstacle, with this arrangement solved the second problem can be.
Insbesondere beansprucht die Anmelderin einen Schweißkopf, dessen Dicke E1 zwischen der Frontseitenöffnung und der der Frontseitenöffnung gegenüberliegenden Wandung geringer ist als 50 mm.Especially Applicant claims a welding head whose thickness E1 is between the front opening and that of the front opening opposite Wall is less than 50 mm.
Die Erfindung geht näher aus einer genauen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und den beigefügten Figuren hervor.The Invention is getting closer from a detailed description of an embodiment and the attached figures out.
Es
wird zunächst
auf
In
diesem Beispiel sind die Einlassöffnung
Die
Schweißvorrichtung
In
diesem Beispiel ist die Laserlichtquelle
Die
Schweißvorrichtung
Es
wird nun der Schweißkopf
eingehender beschrieben, und es wird dabei gleichzeitig auf
Die
Versorgung
Der
Schweißkopf
Ferner
wird vor der Frontseitenöffnung
- – Erstens kanalisiert er den
Nebengasstrom
62 und den Primärgasstrom50 parallel zur Frontseitenwandung64 , wodurch der Schutz des flüssigen Metalls56 vor dem Primärgasstrom50 verbessert wird. - – Zweitens
bildet er ein Hindernis gegen die Dämpfe und Spritzer des schmelzenden
Metalls
56 , wodurch die Verkrustung des Schweißkopfs12 selbst vermieden werden kann. - – Drittens
bildet er ein Hindernis gegen die Dämpfe und Spritzer des schmelzenden
Metalls, die sonst zwischen die Frontseitenöffnung
20 und die Düse60 gelangen und dann durch den Nebengasstrom62 zur Frontseitenöffnung20 hin umgelenkt würden. So wird durch diese zusätzliche Hinderniswirkung trotz des Lochs, das sich auf dem optischen Weg befindet, der Schutz der Optik-Komponenten, insbesondere des Spiegels28 , vor den Dämpfen und Spritzern von schmelzendem Metall56 durch den Schutzschild66 noch weiter verbessert.
- - First, it channels the secondary gas flow
62 and the primary gas stream50 parallel to the front wall64 , thereby protecting the liquid metal56 before the primary gas flow50 is improved. - - Second, it forms an obstacle against the fumes and splashes of the melting metal
56 , whereby the encrustation of the welding head12 even be avoided. - - Third, it forms a barrier against the fumes and splashes of melting metal that would otherwise be between the front opening
20 and the nozzle60 arrive and then through the secondary gas flow62 to the front opening20 would be redirected. Thus, despite the hole located on the optical path, this additional obstacle effect protects the optical components, in particular the mirror28 , before the fumes and splashes of melting metal56 through the shield66 even further improved.
Dieser
Schutzschild kann aus Nobelium, aus einer Metalllegierung, deren
Hauptbestandteil Nobelium ist, oder aus einer Superlegierung auf
Nickelbasis bestehen. Das Loch
Ferner
wird ein Mantel
Während des
Schweißens
wird der Schweißkopf
vorzugsweise in der Richtung des aus der Düse
In der Praxis ist der Schutzschild abnehmbar, um gereinigt oder ausgetauscht zu werden, wenn er durch die Dämpfe und Spritzer von flüssigem Metall zu stark verkrustet ist. Ist der Schweißkopf stark miniaturisiert, dann kann er von zwei Schrauben gehalten werden, die in die Frontseitenwandung eingeschraubt werden, wobei die Düse zwischen dem Schutzschild und der Frontseitenwandung in Sandwich-Anordnung vorgesehen wird.In In practice, the shield is removable to be cleaned or replaced when he gets through the fumes and splashes of liquid Metal is too heavily encrusted. Is the welding head highly miniaturized, then it can be held by two screws in the front side wall be screwed with the nozzle between the shield and the front side wall is sandwiched.
Der Mantel ist aus einem eng gewebten Glasfasergewebe ausgeschnitten, wobei dieser Mantel an seiner Außenseite mit einer Silikonelastomerschicht überzogen ist, die hochtemperaturfest ist, wobei diese Werkstoffe handelsüblich sind. Ein solcher Mantel ist biegsam und rissfest zugleich. Außerdem gewährleistet das Silikonelastomer die Gas-Dichtigkeit des Mantels, und das Glasfasergewebe schützt das Silikonelastomer vor den Dämpfen und Spritzern von schmelzendem Metall sowie vor der Wärmestrahlung.Of the Coat is cut out of a tightly woven fiberglass fabric, wherein this jacket is coated on its outside with a silicone elastomer layer is that is high temperature resistant, these materials are commercially available. Such a coat is flexible and tear-resistant at the same time. In addition, guaranteed the silicone elastomer the gas tightness of the jacket, and the glass fiber fabric protects that Silicone elastomer before the fumes and splashes of melting metal and heat radiation.
Die
Erfindung hat es ermöglicht,
die Schweißvorrichtung
stark zu miniaturisieren. Deswegen beansprucht die Anmelderin ferner
eine Schweißvorrichtung
mit einem Schweißkopf
gemäß dieser
Erfindung, dessen Dicke E1, entlang der Geometrieachse
Diese
Erfindung hat es insbesondere ermöglicht, einen Schweißkopf auszuführen, der
durch einen YAG-Laser mit 4 kW gespeist wird und dennoch nur einen
Freiraum von 24 mm über
den zu schweißenden
Oberflächen
Claims (10)
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR0108920A FR2826893B1 (en) | 2001-07-05 | 2001-07-05 | MINIATURIZED LASER BEAM WELDING APPARATUS |
| FR0108920 | 2001-07-05 |
Publications (2)
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